JPH0574330A - Semiconductor electron emitter - Google Patents
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- JPH0574330A JPH0574330A JP23445691A JP23445691A JPH0574330A JP H0574330 A JPH0574330 A JP H0574330A JP 23445691 A JP23445691 A JP 23445691A JP 23445691 A JP23445691 A JP 23445691A JP H0574330 A JPH0574330 A JP H0574330A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 素子構造および製造工程の簡略化とともに、
素子動作の高速化を可能にする。
【構成】 高濃度P型半導体基板101上に、高濃度P
型半導体領域103と該高濃度P型半導体領域103に
キャリアを供給するP型半導体領域104とを接触して
配置し、さらに、高濃度P型半導体領域103およびP
型半導体領域104の周囲に外側に向って、低濃度N型
半導体領域102を配置するとともに、素子表面に、高
濃度P型半導体領域103とのショットキ障壁接合を形
成する金属膜であるショットキ電極108を配する。そ
れぞれの半導体領域のキャリア濃度の大小関係は、高濃
度P型半導体領域103>P型半導体領域104>低濃
度N型半導体領域102とする。
(57) [Summary] [Purpose] With the simplification of the device structure and manufacturing process,
Enables high-speed device operation. [Structure] A high concentration P-type semiconductor substrate 101 is provided with a high concentration P
The type semiconductor region 103 and the P-type semiconductor region 104 that supplies carriers to the high-concentration P-type semiconductor region 103 are arranged in contact with each other, and the high-concentration P-type semiconductor regions 103 and P
A low-concentration N-type semiconductor region 102 is arranged around the type semiconductor region 104 toward the outside, and a Schottky electrode 108 which is a metal film forming a Schottky barrier junction with the high-concentration P-type semiconductor region 103 on the device surface. Distribute. The relationship between the carrier concentrations of the respective semiconductor regions is high concentration P type semiconductor region 103> P type semiconductor region 104> low concentration N type semiconductor region 102.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は半導体電子放出素子に係
わり、特にアバランシェ降伏を起こさせホット化した電
子を放出させる半導体電子放出素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor electron-emitting device, and more particularly to a semiconductor electron-emitting device which causes avalanche breakdown to emit hot electrons.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来の半導体電子放出素子のうち、アバ
ランシェ降伏機構を用いたものとしては、例えば米国特
許第4259678号および米国特許第4303930
号に記載されているものが知られている。これらの半導
体電子放出素子は、半導体基板上にP型半導体層とN型
半導体層とを形成し、そのN型半導体層の表面にセシウ
ム等を付着させて表面の仕事関数を低下させることによ
り電子放出部を形成したものである。そして前記P型半
導体層と前記N型半導体層とにより形成されたPN接合
の両端に逆バイアス電圧を印加してアバランシェ降伏を
起こすことにより電子をホット化し、電子放出部から半
導体基板表面に垂直な方向に電子放出を行なうものであ
る。2. Description of the Related Art Among conventional semiconductor electron-emitting devices, devices using an avalanche breakdown mechanism include, for example, US Pat. No. 4,259,678 and US Pat. No. 4,303,930.
What is described in the issue is known. In these semiconductor electron-emitting devices, a P-type semiconductor layer and an N-type semiconductor layer are formed on a semiconductor substrate, and cesium or the like is attached to the surface of the N-type semiconductor layer to lower the work function of the surface, thereby reducing electrons. The discharge part is formed. Then, a reverse bias voltage is applied to both ends of the PN junction formed by the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer to cause avalanche breakdown, so that electrons are hotened and the electrons are emitted from the electron emission portion and are perpendicular to the surface of the semiconductor substrate. The electron is emitted in the direction.
【0003】また別に、特開平01−220328号に
示されているように、P型半導体と金属材料、あるいは
P型半導体と金属化合物とによりショットキ障壁接合を
形成し、そのショットキ障壁接合の両端に逆バイアス電
圧を印加してアバランシェ降伏を起こすことにより電子
をホット化し、電子放出部から半導体基板表面に垂直な
方向に電子放出を行なうものがある。Separately, as disclosed in JP-A-01-220328, a P-type semiconductor and a metal material, or a P-type semiconductor and a metal compound form a Schottky barrier junction, and both ends of the Schottky barrier junction are formed. There is a method in which a reverse bias voltage is applied to cause avalanche breakdown, so that electrons are hotened and electrons are emitted from an electron emission portion in a direction perpendicular to the semiconductor substrate surface.
【0004】上述した従来の半導体電子放出素子は、P
N接合あるいはショットキ障壁接合の両端に逆バイアス
電圧を印加した時に、空乏層幅が最も薄く形成される高
濃度P型半導体領域においてアバランシェ降伏を起こ
し、そこで生成されるエネルギーの高い電子を固体表面
より外部へ放出させるものである。しかしながら、PN
接合あるいは前記ショットキ障壁接合の周囲での空乏層
の形状は、その半導体のキャリア濃度および印加電圧に
よって決定される曲率半径を有するために、空乏層の他
の部分よりも電界が集中してしまう。したがって、本来
必要とする高濃度P型半導体領域でアバランシェ降伏が
生じるよりも低い印加電圧において、その空乏層周囲で
降伏あるいは電流のリークが起こってしまい、素子特性
を悪化させてしまう。The conventional semiconductor electron-emitting device described above has a P
When a reverse bias voltage is applied across the N-junction or the Schottky barrier junction, avalanche breakdown occurs in the high-concentration P-type semiconductor region where the depletion layer width is thinnest, and electrons with high energy generated there are generated from the solid surface. It is to be released to the outside. However, PN
Since the shape of the depletion layer around the junction or the Schottky barrier junction has a radius of curvature determined by the carrier concentration of the semiconductor and the applied voltage, the electric field concentrates more than other portions of the depletion layer. Therefore, at an applied voltage lower than the avalanche breakdown that is originally required in the high-concentration P-type semiconductor region, breakdown or current leakage occurs around the depletion layer, deteriorating the device characteristics.
【0005】また、このPN接合あるいはショットキ障
壁接合の電子放出素子において、アバランシェ降伏を生
じる高濃度P型半導体領域の周囲のP型半導体のキャリ
ア濃度を低下させることにより空乏層周囲の曲率半径を
大きくし、そこでの低電圧での降伏を防ぐことが可能で
あるが、キャリアを供給するための電極とアバランシェ
降伏を起こす高濃度P型半導体領域との間の電気抵抗値
が高くなり、素子の動作電圧が上昇するばかりでなく、
ジュール熱の発生等による素子特性の悪化の問題が発生
する。In the electron-emitting device having the PN junction or the Schottky barrier junction, the carrier concentration of the P-type semiconductor around the high-concentration P-type semiconductor region that causes avalanche breakdown is reduced to increase the radius of curvature around the depletion layer. Although it is possible to prevent breakdown at a low voltage there, the electric resistance value between the electrode for supplying carriers and the high-concentration P-type semiconductor region causing avalanche breakdown is increased, and the operation of the device is increased. Not only the voltage rises,
The problem of deterioration of element characteristics due to generation of Joule heat occurs.
【0006】そこで従来の素子においては、高濃度P型
半導体領域の周囲のP型半導体領域のキャリア濃度を極
端に低下することが不都合なので、そのP型半導体領域
内部に、前記高濃度P型半導体領域と同心円になるよう
に高濃度N型半導体のガードリング構造体を形成してい
た。これにより、前記高濃度P型半導体領域から外部へ
P型半導体領域、高濃度N型半導体領域と連続して空乏
層を形成しその最も外側の曲率半径を大きく形成するこ
とにより、空乏層周囲での降伏や電流のリークを防止し
ていた。Therefore, in the conventional device, it is inconvenient to extremely reduce the carrier concentration in the P-type semiconductor region around the high-concentration P-type semiconductor region. The high-concentration N-type semiconductor guard ring structure is formed so as to be concentric with the region. As a result, a depletion layer is formed continuously from the high-concentration P-type semiconductor region to the outside with the P-type semiconductor region and the high-concentration N-type semiconductor region, and the outermost radius of curvature is formed to be large, so that the depletion layer is surrounded. The breakdown and current leakage were prevented.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の半導体
電子放出素子の素子構造では、リング状のN型半導体領
域(ガードリング構造体)を高濃度に形成するためのイ
オン注入あるいは熱拡散等の製造工程や、その高濃度N
型半導体のガードリングに電圧を印加するためのオーム
性接合電極を形成する工程が必要となり、製造工程が繁
雑になるという問題点がある。In the device structure of the conventional semiconductor electron-emitting device described above, ion implantation or thermal diffusion for forming the ring-shaped N-type semiconductor region (guard ring structure) at a high concentration is performed. Manufacturing process and its high concentration N
A step of forming an ohmic junction electrode for applying a voltage to the guard ring of the type semiconductor is required, and there is a problem that the manufacturing process becomes complicated.
【0008】また、ガードリングやそのオーム性接合電
極を形成するための広い領域を必要とし、素子の小型化
が困難であった。Further, a large area is required for forming the guard ring and its ohmic contact electrode, and it has been difficult to miniaturize the element.
【0009】本発明は、上記従来の技術が有する問題点
に鑑みてなされたもので、素子構造および製造工程の簡
略化とともに、素子動作の高速化を可能にする小型の半
導体電子放出素子を提供することを目的としている。The present invention has been made in view of the problems of the above-mentioned conventional technique, and provides a small-sized semiconductor electron-emitting device which enables the device structure and manufacturing process to be simplified and the device operation to be speeded up. The purpose is to do.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明の半導体電子放出
素子は、金属材料あるいは金属化合物材料と半導体との
ショットキ障壁接合からなる電子放出部を有して固体表
面から電子を放出する半導体電子放出素子において、前
記電子放出部が、前記ショットキ障壁接合を形成してア
バランシェ降伏を生じる第1のP型半導体領域を備え、
さらに、前記第1のP型半導体領域と接して該第1のP
型半導体領域へキャリアを供給する第2のP型半導体領
域と、前記第1のP型半導体領域の周囲に位置して該第
1のP型半導体領域とPN接合を形成するとともに、前
記金属材料あるいは金属化合物材料とショットキ障壁接
合を形成するN型半導体領域とを有し、前記第1、第2
のP型半導体領域およびN型半導体領域のキャリア濃度
の大小関係が、 (第1のP型半導体領域)>(第2のP型半導体領域)
>(N型半導体領域) あるいは、 (第2のP型半導体領域)≧(第1のP型半導体領域)
>(N型半導体領域) であることを特徴とする。The semiconductor electron-emitting device of the present invention has a semiconductor electron-emitting device that has an electron-emitting portion composed of a Schottky barrier junction of a metal material or a metal compound material and a semiconductor and emits electrons from a solid surface. In the device, the electron emission portion includes a first P-type semiconductor region that forms the Schottky barrier junction and causes avalanche breakdown.
Further, in contact with the first P-type semiconductor region, the first P-type semiconductor region is formed.
A second P-type semiconductor region for supplying carriers to the P-type semiconductor region, and a PN junction with the first P-type semiconductor region located around the first P-type semiconductor region and forming the metal material. Alternatively, it has a metal compound material and an N-type semiconductor region forming a Schottky barrier junction,
The relationship between the carrier concentrations of the P-type semiconductor region and the N-type semiconductor region is as follows: (first P-type semiconductor region)> (second P-type semiconductor region)
> (N-type semiconductor region) or (second P-type semiconductor region) ≧ (first P-type semiconductor region)
> (N-type semiconductor region).
【0011】また、本発明の半導体電子放出素子は、N
型半導体とP型半導体とのPN接合からなる電子放出部
を有して固体表面から電子を放出する半導体電子放出素
子において、前記電子放出部が、前記固体表面に位置す
る第1のN型半導体領域と、該第1のN型半導体領域と
PN接合を形成してアバランシェ降伏を生じる第1のP
型半導体領域とを備え、さらに、前記第1のP型半導体
領域と接して該第1のP型半導体領域へキャリアを供給
する第2のP型半導体領域と、前記第1のP型半導体領
域の周囲に位置して前記前記第1のP型半導体領域とP
N接合を形成する第2のN型半導体領域とを有し、前記
第1、第2のP型半導体領域および第1、第2のN型半
導体領域のキャリア濃度の大小関係が、 (第1のN型半導体領域)>(第1のP型半導体領域)
>(第2のP型半導体領域)>(第2のN型半導体領
域) あるいは、 (第1N型半導体領域)>(第2のP型半導体領域)≧
(第1のP型半導体領域)>(第2のN型半導体領域) であることを特徴とする。Further, the semiconductor electron-emitting device of the present invention is N
In a semiconductor electron-emitting device that has an electron-emitting portion made of a PN junction between a p-type semiconductor and a p-type semiconductor and emits electrons from a solid surface, the electron-emitting portion is a first n-type semiconductor located on the solid surface. A first P region that forms a PN junction with the region and the first N-type semiconductor region to cause avalanche breakdown.
A second P-type semiconductor region, which is in contact with the first P-type semiconductor region and supplies carriers to the first P-type semiconductor region, and the first P-type semiconductor region. Located around the first P-type semiconductor region and P
A second N-type semiconductor region forming an N-junction, and the carrier concentration relationship between the first and second P-type semiconductor regions and the first and second N-type semiconductor regions is (1st) N-type semiconductor region)> (first P-type semiconductor region)
> (Second P-type semiconductor region)> (second N-type semiconductor region) or (first N-type semiconductor region)> (second P-type semiconductor region) ≧
(First P-type semiconductor region)> (second N-type semiconductor region).
【0012】[0012]
【作用】本発明は前記課題を解決するために、以下の手
段を講ずるものである。The present invention takes the following means in order to solve the above problems.
【0013】半導体電子放出素子において、アバランシ
ェ降伏を生じる高濃度の第1のP型半導体領域の周囲
に、キャリア濃度が低いN型半導体領域を形成する。こ
れにより、動作電圧を印加した状態において、第1のP
型半導体領域に形成される空乏層の周囲は、その周囲に
PN接合により形成される空乏層と連続的に繋がり保護
されるので、第1のP型半導体領域の周囲で降伏や電流
のリークは起こらない。したがって、従来、製造工程の
簡略化および素子の小型化の観点からも不都合であった
高濃度N型半導体のガードリング構造を必要としない素
子構造が可能となる。In the semiconductor electron-emitting device, an N-type semiconductor region having a low carrier concentration is formed around the high-concentration first P-type semiconductor region which causes avalanche breakdown. As a result, when the operating voltage is applied, the first P
The periphery of the depletion layer formed in the type semiconductor region is continuously connected to and protected by the depletion layer formed by the PN junction in the periphery thereof, so that breakdown and current leakage do not occur around the first P type semiconductor region. It won't happen. Therefore, an element structure that does not require a guard ring structure of a high-concentration N-type semiconductor, which has been inconvenient from the viewpoint of simplifying the manufacturing process and downsizing the element, can be realized.
【0014】ここで、第1のP型半導体領域へのキャリ
アの供給路として第2のP型半導体領域を形成すること
により、素子の直列抵抗値を適切な値とすることが可能
となる。したがって、動作速度を速くすることが可能と
なる。Here, by forming the second P-type semiconductor region as a carrier supply path to the first P-type semiconductor region, the series resistance value of the element can be set to an appropriate value. Therefore, the operating speed can be increased.
【0015】[0015]
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings.
【0016】(実施例1)図1は本発明の第1実施例で
あるショットキ障壁接合型の半導体放出素子を示す断面
図である。(Embodiment 1) FIG. 1 is a sectional view showing a Schottky barrier junction type semiconductor emitting device which is a first embodiment of the present invention.
【0017】本実施例の半導体電子放出素子は、高濃度
P型半導体基板101上の略中央部に、円筒状の、第1
のP型半導体領域である高濃度P型半導体領域103と
該高濃度P型半導体領域103にキャリアを供給する第
2のP型半導体領域であるP型半導体領域104とを接
触して配置し、さらに、前記高濃度P型半導体領域10
3およびP型半導体領域104の周囲に外側に向って同
心円状に、N型半導体領域である低濃度N型半導体領域
102を配置するとともに、素子表面に、前記高濃度P
型半導体領域103とのショットキ障壁接合を形成する
金属膜であるショットキ電極108とを配してなるショ
ットキ障壁接合型の素子である。The semiconductor electron-emitting device of this embodiment has a cylindrical first, substantially central portion on a high-concentration P-type semiconductor substrate 101.
The high-concentration P-type semiconductor region 103, which is the P-type semiconductor region, and the P-type semiconductor region 104, which is the second P-type semiconductor region that supplies carriers to the high-concentration P-type semiconductor region 103, are arranged in contact with each other, Furthermore, the high-concentration P-type semiconductor region 10
3 and the P-type semiconductor region 104, the low-concentration N-type semiconductor region 102 that is an N-type semiconductor region is arranged concentrically toward the outside, and the high-concentration P region is formed on the device surface.
A Schottky barrier junction type device is provided by arranging a Schottky electrode 108 which is a metal film forming a Schottky barrier junction with the type semiconductor region 103.
【0018】さらに、本実施例の半導体電子放出素子
は、前記ショットキ障壁接合に逆電圧を印加するため
の、高濃度P型半導体基板101に対するオーム性接合
電極106と前記ショットキ電極108に対する電極配
線107とが設けられており、前記逆方向電圧は電源1
09から印加される。Further, in the semiconductor electron emission device of this embodiment, the ohmic junction electrode 106 for the high concentration P-type semiconductor substrate 101 and the electrode wiring 107 for the Schottky electrode 108 for applying a reverse voltage to the Schottky barrier junction. And the reverse voltage is applied to the power source 1
It is applied from 09.
【0019】なお、前記電極配線107は、前述したP
型の各半導体領域との短絡を防ぐために前記低濃度N型
半導体領域102上に形成した絶縁膜105上にてショ
ットキ電極108と接触している。また、図中110
は、前記逆方向電圧を印加した状態での空乏層端の形状
を示している。The electrode wiring 107 has the above-mentioned P
The Schottky electrode 108 is in contact with the insulating film 105 formed on the low-concentration N-type semiconductor region 102 in order to prevent a short circuit with each semiconductor region of the mold. Also, in the figure, 110
Shows the shape of the edge of the depletion layer when the reverse voltage is applied.
【0020】ここで、図2を参照してショットキ障壁接
合を用いた半導体電子放出素子における電子放出過程に
ついて説明する。Now, the electron emission process in the semiconductor electron emission device using the Schottky barrier junction will be described with reference to FIG.
【0021】P型半導体とショットキ障壁接合を形成し
てなるショットキダイオードに逆バイアス電圧を印加す
ることにより、P型半導体の伝導帯の底EC はショット
キ障壁を形成する金属電極の真空準位EVAC よりも高い
エネルギー準位となり、アバランシェ降伏が発生する。
アバランシェ降伏によって生成された電子は、半導体−
金属電極界面に生ずる空乏層内の電界によって格子温度
よりも高いエネルギーを得て、P型半導体からショット
キ障壁接合を形成する金属電極へと注入される。ショッ
トキ障壁接合を形成する金属電極表面の仕事関数よりも
大きなエネルギーを持った電子は、真空中へ放出され
る。したがって前述のように、金属電極表面を低仕事関
数処理することは電子放出量の増加につながる。By applying a reverse bias voltage to the Schottky diode formed by forming a Schottky barrier junction with the P-type semiconductor, the bottom E C of the conduction band of the P-type semiconductor is the vacuum level E of the metal electrode forming the Schottky barrier. The energy level becomes higher than VAC and avalanche breakdown occurs.
The electrons generated by the avalanche breakdown are semiconductor-
Energy higher than the lattice temperature is obtained by the electric field in the depletion layer generated at the metal electrode interface, and the energy is injected from the P-type semiconductor to the metal electrode forming the Schottky barrier junction. Electrons having an energy larger than the work function of the surface of the metal electrode forming the Schottky barrier junction are emitted into the vacuum. Therefore, as described above, treating the metal electrode surface with a low work function leads to an increase in electron emission amount.
【0022】以下、図1に示した半導体電子放出素子の
具体的な製造工程の一例について説明する。An example of a specific manufacturing process of the semiconductor electron-emitting device shown in FIG. 1 will be described below.
【0023】(1)キャリア濃度が5×1018cmー3の
亜鉛(Zn)ドープの高濃度P型半導体基板101(G
aAs)上に分子線エピタキシャル成長(MBE)法に
より、シリコン(Si)濃度が1×1015cmー3以下の
低濃度N型GaAs半導体層を厚さ0.6μm成長し
た。この低濃度N型GaAs半導体層が後に低濃度N型
半導体領域102となる。(1) Zinc-doped high-concentration P-type semiconductor substrate 101 (G) having a carrier concentration of 5 × 10 18 cm −3
A low-concentration N-type GaAs semiconductor layer having a silicon (Si) concentration of 1 × 10 15 cm −3 or less was grown on the aAs) by a molecular beam epitaxial growth (MBE) method to a thickness of 0.6 μm. This low-concentration N-type GaAs semiconductor layer will later become the low-concentration N-type semiconductor region 102.
【0024】(2)高濃度P型半導体領域103に相当
する領域には、ほぼ均一にBe濃度が2×1018cmー3
となるように、集束イオンビーム(FIB)注入法によ
り40keVに加速したBeイオンを注入した。(2) In the region corresponding to the high-concentration P-type semiconductor region 103, the Be concentration is almost uniformly 2 × 10 18 cm −3.
So that the Be ions accelerated to 40 keV were injected by the focused ion beam (FIB) injection method.
【0025】(3)P型半導体領域104に相当する領
域には、前記高濃度P型半導体基板101に到達し、B
e濃度がそれぞれ1×1018cmー3となるように、FI
B注入法により160keVに加速したBeイオンを注
入した。(3) A region corresponding to the P-type semiconductor region 104 reaches the high-concentration P-type semiconductor substrate 101, and B
FI so that the concentration of each becomes 1 × 10 18 cm −3
Be ions were accelerated by the B implantation method to 160 keV.
【0026】(4)絶縁膜105としてSiO2 をスパ
ッタリング法により厚さ約0.2μm堆積後、850
℃、10秒間の熱処理により注入部を活性化した。(4) SiO 2 is deposited as the insulating film 105 by sputtering to a thickness of about 0.2 μm, and then 850
The injection part was activated by heat treatment at 10 ° C. for 10 seconds.
【0027】(5)前記高濃度P型半導体基板101の
裏面に金(Au)/クロム(Cr)を真空蒸着して35
0℃、5分の熱処理によりオーム性接合電極106を形
成した。(5) Gold (Au) / chromium (Cr) is vacuum-deposited on the back surface of the high-concentration P-type semiconductor substrate 101 to form 35.
The ohmic bonding electrode 106 was formed by heat treatment at 0 ° C. for 5 minutes.
【0028】(6)前記絶縁膜105上にアルミニウム
を真空蒸着し、通常のフォトリソグラフィー法により、
電極配線107および絶縁膜105の開口部を形成し
た。(6) Aluminum is vacuum-deposited on the insulating film 105 and is formed by an ordinary photolithography method.
The openings of the electrode wiring 107 and the insulating film 105 were formed.
【0029】(7)P型GaAs半導体からなるP型半
導体領域104および高濃度P型半導体領域103に対
してショットキ障壁接合を形成する材料としてタングス
テン(W)を選択し、前記開口内に、電子ビーム蒸着と
通常のフォトリソグラフィーにより厚さ8nmのショッ
トキ電極108を形成した。(7) Tungsten (W) is selected as a material for forming a Schottky barrier junction with respect to the P-type semiconductor region 104 made of P-type GaAs semiconductor and the high-concentration P-type semiconductor region 103, and electrons are filled in the opening. A Schottky electrode 108 having a thickness of 8 nm was formed by beam evaporation and ordinary photolithography.
【0030】このようにして作製した半導体電子放出素
子を真空度が約1×10ー7Torrに保たれた真空チャ
ンバ内に設置し、電源109によりオーム性接合電極1
06と電極配線109との間に7Vを印加したところ、
高濃度P型半導体領域103の上部のショットキ電極1
08表面より約15pAの電子放出が観測された。ま
た、印加電圧(素子電圧)を10Vまで順次増大したと
ころ、図3に示すように、電子放出量(エミッション電
流)も約100pAまで順次増大した。この素子電圧印
加時の空乏層110は、高濃度P型半導体領域103に
おいて、ショットキ電極108とのショットキ障壁界面
より約0.04μm広がっていると考えられる。その周
囲はPN接合により形成される厚い空乏層によって保護
されているので、電界が最も集中するのは高濃度P型半
導体領域103の部分であり、この領域において効率良
くアバランシェ降伏が起こる。[0030] Such a semiconductor electron emitting device manufactured by the established degree of vacuum of about 1 × vacuum chamber was maintained at 10 over 7 Torr, ohmic junction electrode 1 by the power source 109
When 7V was applied between 06 and the electrode wiring 109,
Schottky electrode 1 above the high-concentration P-type semiconductor region 103
An electron emission of about 15 pA was observed from the 08 surface. When the applied voltage (device voltage) was sequentially increased to 10 V, the electron emission amount (emission current) was also gradually increased to about 100 pA as shown in FIG. It is considered that the depletion layer 110 at the time of applying the device voltage is expanded by about 0.04 μm from the Schottky barrier interface with the Schottky electrode 108 in the high concentration P-type semiconductor region 103. Since the surroundings are protected by the thick depletion layer formed by the PN junction, the electric field is most concentrated in the high-concentration P-type semiconductor region 103, and avalanche breakdown occurs efficiently in this region.
【0031】また、上記作製条件において、第1のP型
半導体領域である高濃度P型半導体領域103にキャリ
アを供給する第2のP型半導体領域であるP型半導体領
域104のBe濃度のみを3×1018cmー3となるよう
に変えて作製した半導体電子放出素子を同様の真空チャ
ンバ内に設置したときの電気特性を図4に示した。その
半導体電子放出素子に対し電源109により素子電圧5
Vを印加したところ、高濃度P型半導体領域103の上
部のショットキ電極108表面より約20pA(エミッ
ション電流)の電子放出が観測された。また、素子電圧
を7Vまで順次増大したところ、エミッション電流も約
100pAまで順次増大した。Under the above manufacturing conditions, only the Be concentration of the P-type semiconductor region 104, which is the second P-type semiconductor region that supplies carriers to the high-concentration P-type semiconductor region 103, which is the first P-type semiconductor region, is reduced. FIG. 4 shows the electric characteristics when a semiconductor electron-emitting device manufactured by changing the size to 3 × 10 18 cm −3 was installed in the same vacuum chamber. A device voltage 5 is applied to the semiconductor electron-emitting device by the power supply 109.
When V was applied, about 20 pA (emission current) of electron emission was observed from the surface of the Schottky electrode 108 above the high-concentration P-type semiconductor region 103. Further, when the device voltage was sequentially increased to 7 V, the emission current was also sequentially increased to about 100 pA.
【0032】また、本実施例において、電極配線107
に、絶縁膜を介して別の電極を設け、該電極と前記電極
配線107間に電位差を設定することにより、電子放出
部から放出した電子の飛行方向および運動エネルギーを
規制することが可能となる。このように、前記P型半導
体領域104のキャリア濃度を変えることにより、半導
体放出素子の電流電圧特性を規定することが可能であ
る。また、P型半導体領域104の抵抗値を低下させる
ことにより、素子の直列抵抗値が減少でき、動作速度を
速くすることが可能となった。Further, in this embodiment, the electrode wiring 107
By providing another electrode via an insulating film and setting a potential difference between the electrode and the electrode wiring 107, it becomes possible to regulate the flight direction and kinetic energy of the electron emitted from the electron emitting portion. .. Thus, by changing the carrier concentration of the P-type semiconductor region 104, it is possible to define the current-voltage characteristics of the semiconductor emitting device. Further, by decreasing the resistance value of the P-type semiconductor region 104, the series resistance value of the element can be decreased and the operation speed can be increased.
【0033】上述した実施例では、半導体としてGaA
sを用いた例を示したが、他の半導体材料として、原理
的には例えばSi,Ge,GaP,AlAs,GaAs
P,AlGaAs,SiC,BP,AlN,ダイヤモン
ド等が適用可能であり、特に間接遷移型でバンドギャッ
プの大きい材料が適している。In the embodiment described above, GaA is used as the semiconductor.
Although an example using s is shown, in principle, other semiconductor materials such as Si, Ge, GaP, AlAs, and GaAs can be used.
P, AlGaAs, SiC, BP, AlN, diamond, etc. are applicable, and in particular, indirect transition type material having a large band gap is suitable.
【0034】オーム性接合電極106の材料としては、
タングステン(W)の他にAl,Au,LaB6 等一般
に知られている、前記P型半導体に対してショットキ障
壁接合を形成するものであれば良い。ただし、前述した
ように、この電極表面の仕事関数は小さいほど電子放出
効率が増大するので、その材料の仕事関数が大きい場合
は表面にCs等の低仕事関数材料を薄く被覆することに
より電子放出効率が向上する。As the material of the ohmic bonding electrode 106,
Other than tungsten (W), Al, Au, LaB 6 or any other material that is commonly known and that forms a Schottky barrier junction with the P-type semiconductor may be used. However, as described above, the smaller the work function of the electrode surface, the higher the electron emission efficiency. Therefore, when the work function of the material is large, the surface of the electrode is thinly coated with a low work function material such as Cs to emit electrons. Efficiency is improved.
【0035】(実施例2)図5は本発明の第2実施例で
あるPN接合型の半導体電子放出素子を示す断面図であ
る。(Embodiment 2) FIG. 5 is a sectional view showing a PN junction type semiconductor electron-emitting device which is a second embodiment of the present invention.
【0036】本実施例の半導体電子放出素子は、高濃度
P型半導体基板501上の略中央部に、円筒状の、第1
のP型半導体領域である高濃度P型半導体領域503と
該高濃度P型半導体領域503にキャリアを供給する第
2のP型半導体領域であるP型半導体領域504とを接
触して配置し、さらに、前記高濃度P型半導体領域50
3およびP型半導体領域504の周囲に外側に向って同
心円状に、第2のN型半導体領域である低濃度N型半導
体領域502を配置するとともに、前記高濃度P型半導
体領域503とのPN接合を形成する第1のN型半導体
領域である高濃度N型半導体領域505とからなる電子
放出部を備えたPN接合型の素子である。The semiconductor electron-emitting device of the present embodiment has a cylindrical first, substantially central portion on a high-concentration P-type semiconductor substrate 501.
A high-concentration P-type semiconductor region 503 which is a P-type semiconductor region of the above and a P-type semiconductor region 504 which is a second P-type semiconductor region which supplies carriers to the high-concentration P-type semiconductor region 503 are arranged in contact with each other, Further, the high-concentration P-type semiconductor region 50
3 and the P-type semiconductor region 504, a low-concentration N-type semiconductor region 502 which is a second N-type semiconductor region is arranged concentrically toward the outside, and a PN with the high-concentration P-type semiconductor region 503 is formed. This is a PN junction type device including an electron emitting portion including a high concentration N type semiconductor region 505 which is a first N type semiconductor region forming a junction.
【0037】さらに、本実施例の半導体電子放出素子
は、前記PN接合部に逆方向電圧を印加するための、高
濃度P型半導体基板501に対するオーム性接合電極5
07と、高濃度N型半導体領域505に対するオーム性
接合電極508と、前記高濃度N型半導体領域505表
面に形成した低仕事関数被覆509とが設けられてお
り、前記逆方向電圧は電源510から印加される。Further, in the semiconductor electron-emitting device of this embodiment, the ohmic junction electrode 5 for the high-concentration P-type semiconductor substrate 501 for applying a reverse voltage to the PN junction portion.
07, an ohmic junction electrode 508 for the high-concentration N-type semiconductor region 505, and a low work function coating 509 formed on the surface of the high-concentration N-type semiconductor region 505 are provided, and the reverse voltage is supplied from a power supply 510. Is applied.
【0038】なお、前記オーム性接合電極508は、低
濃度N型半導体領域502との短絡を防ぐため、該低濃
度P型半導体領域502の表面縁部に沿って形成された
絶縁膜506を介して前記高濃度N型半導体領域505
に接触されている。また、図中511は、前記逆方向電
圧を印加した状態での空乏層端の形状を示している。The ohmic contact electrode 508 has an insulating film 506 formed along the surface edge of the low-concentration P-type semiconductor region 502 in order to prevent a short circuit with the low-concentration N-type semiconductor region 502. The high concentration N-type semiconductor region 505
Have been touched. Reference numeral 511 in the figure shows the shape of the depletion layer edge in the state in which the reverse voltage is applied.
【0039】以下、本実施例の、PN接合型の半導体電
子放出素子の具体的な製造工程の一例について説明す
る。An example of a specific manufacturing process of the PN junction type semiconductor electron-emitting device of this embodiment will be described below.
【0040】(1)キャリア濃度が5×1018cmー3の
Znドープの高濃度P型半導体基板501(GaAs)
上にMBE法により、Si濃度が5×1015cmー3以下
の低濃度N型GaAs半導体層を厚さ0.6μm成長し
た。この低濃度N型GaAs半導体層が後に低濃度N型
半導体領域502となる。(1) Zn-doped high-concentration P-type semiconductor substrate 501 (GaAs) having a carrier concentration of 5 × 10 18 cm −3
A low-concentration N-type GaAs semiconductor layer having a Si concentration of 5 × 10 15 cm −3 or less was grown to a thickness of 0.6 μm by the MBE method. This low-concentration N-type GaAs semiconductor layer will later become the low-concentration N-type semiconductor region 502.
【0041】(2)高濃度P型半導体領域503に相当
する領域には、ほぼ均一にBe濃度が2×1018cmー3
となるように、FIB注入法により40keVに加速し
たBeイオンを注入した。(2) In the region corresponding to the high-concentration P-type semiconductor region 503, the Be concentration is almost uniformly 2 × 10 18 cm −3.
So that the Be ions accelerated to 40 keV were implanted by the FIB implantation method.
【0042】(3)P型半導体領域504に相当する領
域には、高濃度P型半導体基板501に到達し、Be濃
度が5×1017cmー3となるように、FIB注入法によ
り160keVに加速したBeイオンを注入した。[0042] (3) in a region corresponding to the P-type semiconductor region 504 reaches the high-concentration P-type semiconductor substrate 501, as Be concentration of 5 × 10 17 cm -3, the 160keV by FIB implantation method Implanted accelerated Be ions.
【0043】(4)高濃度N型半導体領域505に相当
する領域には、通常のイオン注入法により深さ10nm
にわたりSi濃度が約1×1019cmー3となるように、
10keVに加速したSiイオンを注入した。この高濃
度N型半導体領域505は、その下の高濃度P型半導体
領域503でアバランシェ降伏により生成された電子が
通過する領域であるため、厚く形成すると、そこでの散
乱によるエネルギーロスが大きくなり、電子放出効率が
悪化する。そこで、このイオン注入を低加速電圧で行な
うか、あるいはイオン注入後に表面をエッチングするな
どして、厚さを10nm以下に形成するのが望ましい。
この高濃度N型半導体領域505を形成することによ
り、前記高濃度P型半導体領域とのPN接合からなる電
子放出部が形成されたことになる。(4) A region corresponding to the high-concentration N-type semiconductor region 505 has a depth of 10 nm formed by an ordinary ion implantation method.
So that the Si concentration is about 1 × 10 19 cm −3
Si ions accelerated to 10 keV were implanted. Since the high-concentration N-type semiconductor region 505 is a region through which electrons generated by avalanche breakdown in the high-concentration P-type semiconductor region 503 thereunder pass, energy loss due to scattering there becomes large when formed thick, The electron emission efficiency deteriorates. Therefore, it is desirable that the ion implantation is performed at a low accelerating voltage, or the surface is etched after the ion implantation so that the thickness is formed to 10 nm or less.
By forming the high-concentration N-type semiconductor region 505, an electron-emitting portion including a PN junction with the high-concentration P-type semiconductor region is formed.
【0044】(5)絶縁膜506としてSiO2 をスパ
ッタリング法により厚さ約0.2μm堆積後、850
℃、10秒間の熱処理により注入部を活性化した。(5) As the insulating film 506, SiO 2 is deposited by sputtering to a thickness of about 0.2 μm, and then 850
The injection part was activated by heat treatment at 10 ° C. for 10 seconds.
【0045】(6)高濃度P型半導体基板501に対す
るオーム性接合電極507として高濃度P型半導体基板
501の裏面にAu/Crを、また、高濃度N型半導体
領域505に対するオーム性接合電極508としてAu
/Geをそれぞれ真空蒸着し、通常のフォトリソエッチ
ングしたのち、350℃、5分の合金化熱処理を行なっ
た。(6) Au / Cr on the back surface of the high-concentration P-type semiconductor substrate 501 as the ohmic contact electrode 507 for the high-concentration P-type semiconductor substrate 501, and the ohmic contact electrode 508 for the high-concentration N-type semiconductor region 505. As Au
/ Ge was vacuum-deposited and subjected to ordinary photolithography etching, and then alloying heat treatment was performed at 350 ° C. for 5 minutes.
【0046】(7)次に、前記高濃度N型半導体領域5
05が露出している部分に、低仕事関数材料であるセシ
ウム(Cs)を超高真空中で単原子層程度蒸着して低仕
事関数被膜509とした。(7) Next, the high-concentration N-type semiconductor region 5
A low work function film 509 was formed by vapor-depositing cesium (Cs), which is a low work function material, on the exposed portion of 05 in an ultra-high vacuum by about a monoatomic layer.
【0047】このようにして作製した半導体電子放出素
子を約1×10-11 Torr以下に保たれた真空チャン
バ内に設置し、電源510によりオーム性接合電極50
7、508間に6Vの素子電圧を印加したところ、高濃
度N型半導体領域505の上部の低仕事関数被膜509
(Cs)表面より約0.1μAの電子放出が観測され
た。このように本実施例により、従来の半導体電子放出
素子と同等の電子放出特性を有する、製造工程の簡略な
PN接合型半導体電子放出素子が形成可能となった。The semiconductor electron-emitting device thus manufactured was placed in a vacuum chamber maintained at about 1 × 10 -11 Torr or less, and the ohmic bonding electrode 50 was supplied by the power supply 510.
When a device voltage of 6 V was applied between Nos. 7 and 508, the low work function film 509 on the high concentration N-type semiconductor region 505 was formed.
An electron emission of about 0.1 μA was observed from the (Cs) surface. As described above, according to this example, it is possible to form a PN junction type semiconductor electron-emitting device having electron emission characteristics equivalent to those of the conventional semiconductor electron-emitting device and having a simple manufacturing process.
【0048】また、本実施例の場合も、前述の第1実施
例の場合と同様に、オーム性接合電極508と別の電極
との間に電極差を設定することにより、電子の飛行方向
および運動エネルギーを規制することが可能である。Also in the case of this embodiment, as in the case of the above-described first embodiment, by setting an electrode difference between the ohmic junction electrode 508 and another electrode, the flight direction of electrons and It is possible to regulate kinetic energy.
【0049】(実施例3)図6は本発明の第3実施例で
ある、複数の電子放出部が設けられた、ショットキ障壁
型のマルチ半導体電子放出素子を示す図であり、(a)
はその平面図、(b)は(a)のA−A’線断面図であ
る。(Embodiment 3) FIG. 6 is a diagram showing a Schottky barrier type multi-semiconductor electron-emitting device having a plurality of electron-emitting portions, which is a third embodiment of the present invention.
Is a plan view thereof, and (b) is a sectional view taken along line AA ′ of (a).
【0050】本実施例のマルチ半導体電子放出素子は、
半導体基板601に形成した高濃度P型半導体領域60
2上に、4個の電子放出部600A,600B,600
C,600Dをマトリクス状に設けたものである。The multi-semiconductor electron-emitting device of this embodiment is
High-concentration P-type semiconductor region 60 formed on semiconductor substrate 601
Two electron emitting parts 600A, 600B, 600
C and 600D are provided in a matrix.
【0051】前記電子放出部600A,600B,60
0C,600Dは何れも同じ構成であるので、電子放出
部600Aを例にして説明する。The electron emitting portions 600A, 600B, 60
Since 0C and 600D have the same configuration, the electron emitting portion 600A will be described as an example.
【0052】電子放出部600Aは、第1のP型半導体
領域である高濃度P型半導体領域604Aと、該高濃度
P型半導体領域604Aに接触して配置されて該高濃度
P型半導体領域604Aにキャリアを供給する第2のP
型半導体領域であるP型半導体領域605Aと、前記高
濃度P型半導体領域604AおよびP型半導体領域60
5Aの周囲に位置したN型半導体領域である低濃度N型
半導体領域603と、前記高濃度P型半導体領域604
Aとのショットキ障壁接合を形成するショットキ電極6
10Aとからなる、前述した第1実施例と同様な構成の
ものである。The electron-emitting portion 600A is arranged in contact with the high-concentration P-type semiconductor region 604A, which is the first P-type semiconductor region, and the high-concentration P-type semiconductor region 604A, and the high-concentration P-type semiconductor region 604A. Second P to supply carriers to
Type semiconductor region 605A which is a type semiconductor region, and the high-concentration P type semiconductor region 604A and P type semiconductor region 60
5A, a low concentration N type semiconductor region 603 which is an N type semiconductor region, and the high concentration P type semiconductor region 604.
Schottky electrode 6 forming a Schottky barrier junction with A
10A and has the same configuration as that of the first embodiment described above.
【0053】さらに、前記ショットキ障壁接合に逆方向
電圧を印加するための、前記高濃度P型半導体領域60
2に対するオーム性接合電極608とショットキ電極6
10Aに対する電極配線609Aとが設けられている。
前記電極配線609Aは、前述したP型の各半導体領域
との短絡を防ぐために低濃度N型半導体領域603上に
形成した絶縁膜607上にて前記ショットキ電極610
Aと接触している。Further, the high concentration P-type semiconductor region 60 for applying a reverse voltage to the Schottky barrier junction.
Ohmic junction electrode 608 and Schottky electrode 6 for 2
Electrode wiring 609A for 10A is provided.
The electrode wiring 609A is formed on the insulating film 607 formed on the low-concentration N-type semiconductor region 603 in order to prevent a short circuit with the P-type semiconductor regions.
It is in contact with A.
【0054】前記オーム性接合電極608は、高濃度P
型半導体領域606を介して前記高濃度P型半導体領域
602に接続されており、本実施例の場合、図6の
(a)に示すように、2箇所に設けられている。このオ
ーム性接合電極608は、前記4個の電子放出部600
A、600B、600C、600Dについて共通の電極
である。The ohmic contact electrode 608 has a high P concentration.
It is connected to the high-concentration P-type semiconductor region 602 through the type semiconductor region 606, and in the case of the present embodiment, it is provided at two places as shown in FIG. The ohmic junction electrode 608 is formed by the four electron-emitting portions 600.
It is a common electrode for A, 600B, 600C and 600D.
【0055】また、前記ショットキ電極610Aは、他
の電子放出部600B、600C、600Dのショット
キ電極610B、610C、610D(610C、61
0Dは不図示)と共通に接続してもよいが、その場合、
前記オーム性接合電極608が共通であるため、4個の
電子放出部600A、600B、600C、600Dは
同時に電子放出動作がコントロールされることになる。
一方、各電子放出部600A、600B、600C、6
00Dのショットキ電極610A、610B、610
C、610Dを独立とした場合は、各電子放出部600
A、600B、600C、600D毎のコントロールが
可能となる。The Schottky electrode 610A is the Schottky electrode 610B, 610C, 610D (610C, 61D) of the other electron emitting portion 600B, 600C, 600D.
0D may be connected in common with (not shown), but in that case,
Since the ohmic junction electrode 608 is common, the electron emission operations of the four electron emission units 600A, 600B, 600C and 600D are controlled simultaneously.
On the other hand, each of the electron emitting portions 600A, 600B, 600C, 6
00D Schottky electrodes 610A, 610B, 610
When C and 610D are independent, each electron emission unit 600
It is possible to control each of A, 600B, 600C, and 600D.
【0056】さらに、前述したような構成の4個の電子
放出部600A、600B、600C、600Dが形成
された素子表面は、前記絶縁膜607上に設けられた、
絶縁材料からなる支持体611を介して金属膜からなる
ゲート612で、前記オーム性接合電極608以外の部
分が覆われている。このゲート612には、前記電子放
出部600A、600B、600C、600Dの上方に
対応する位置に、それぞれ開口部613A、613B、
613C、613Dが形成されており、各電子放出部6
00A、600B、600C、600Dからの放出電子
は前記開口部613A、613B、613C、613D
を通って外部へ飛び出すことになる。Further, the element surface on which the four electron-emitting portions 600A, 600B, 600C and 600D having the above-mentioned structure are formed is provided on the insulating film 607.
A portion other than the ohmic contact electrode 608 is covered with a gate 612 made of a metal film via a support 611 made of an insulating material. In the gate 612, openings 613A, 613B, and 613B are provided at positions corresponding to above the electron emission portions 600A, 600B, 600C, 600D, respectively.
613C and 613D are formed, and each electron emission part 6 is formed.
Electrons emitted from 00A, 600B, 600C and 600D are emitted from the openings 613A, 613B, 613C and 613D.
It will jump out through.
【0057】以下、本実施例のマルチ半導体電子放出素
子の具体的な製造工程の一例について説明する。An example of a specific manufacturing process of the multi-semiconductor electron-emitting device of this embodiment will be described below.
【0058】(1)不純物濃度を1×1014cmー3以下
としたアンドープの半絶縁性の半導体基板601(Ga
As)に、通常のフォトリソグラフィー法により反転パ
ターンを形成した後、Be濃度が3×1018cmー3とな
るように通常のイオン注入を行なった。(1) An undoped semi-insulating semiconductor substrate 601 (Ga) with an impurity concentration of 1 × 10 14 cm −3 or less
A reverse pattern was formed on As) by a normal photolithography method, and then a normal ion implantation was performed so that the Be concentration became 3 × 10 18 cm −3 .
【0059】そして、850℃、10秒間の熱処理によ
り、X方向に長いストライプ状の高濃度P型半導体領域
602を形成した。Then, a high-concentration P-type semiconductor region 602 having a long stripe in the X direction was formed by heat treatment at 850 ° C. for 10 seconds.
【0060】(2)MBE法によりSi濃度が1×10
15cmー3の低濃度N型半導体領域603としてGaAs
を厚さ0.6μmだけ成長した。(2) Si concentration of 1 × 10 by MBE method
GaAs as a low concentration N-type semiconductor region 603 of 15 cm -3
Was grown to a thickness of 0.6 μm.
【0061】(3)高濃度P型半導体領域604A、6
04B、604C、604Dに相当する領域にはBe濃
度が2×1018cmー3となるように、また、P型半導体
領域605A、605B、605C、605Dに相当す
る領域にはBe濃度が5×1017cmー3となるように、
それぞれFIB注入法により40keVおよび160k
eVに加速したBeイオンを注入した。(3) High concentration P-type semiconductor regions 604A, 6
04B, 604C, so Be concentration of 2 × 10 18 cm -3 in a region corresponding to 604D, also, P-type semiconductor regions 605A, 605B, 605C, Be concentration of 5 × it is in a region corresponding to 605D To be 10 17 cm -3 ,
40 keV and 160 k depending on FIB injection method
Be ions accelerated to eV were implanted.
【0062】(4)高濃度P型半導体領域606に相当
する領域には、低濃度N型半導体領域603より高濃度
P型半導体領域602までBe濃度がほぼ均一に3×1
018cmー3となるように、FIB注入法によりBeイオ
ンを注入した。(4) In the region corresponding to the high-concentration P-type semiconductor region 606, the Be concentration from the low-concentration N-type semiconductor region 603 to the high-concentration P-type semiconductor region 602 is approximately 3 × 1.
Be ions were implanted by the FIB implantation method so as to be 0 18 cm −3 .
【0063】以上(1)から(4)のMBE成長工程と
FIB注入工程とは、それぞれの装置が真空トンネルで
接続されているので、大気にさらされることなく行なわ
れた。The MBE growth step and the FIB injection step (1) to (4) above were performed without being exposed to the atmosphere because the respective devices were connected by a vacuum tunnel.
【0064】さらに、850℃、10秒間の熱処理によ
り、高濃度P型半導体領域604A、604B、604
C、604D、P型半導体領域605A、605B、6
05C、605Dおよび高濃度P型半導体領域606を
活性化した。Further, high-concentration P-type semiconductor regions 604A, 604B, 604 are subjected to heat treatment at 850 ° C. for 10 seconds.
C, 604D, P-type semiconductor regions 605A, 605B, 6
05C, 605D and the high concentration P-type semiconductor region 606 were activated.
【0065】(5)前述のようにイオン注入が施された
低濃度P型半導体領域603上に、絶縁膜607とし
て、通常のスパッタリング法によりSiO2を厚さ0.
2μm堆積した後、通常のフォトリソエッチング法によ
りそれぞれの開口を形成した。(5) On the low-concentration P-type semiconductor region 603 which has been ion-implanted as described above, as the insulating film 607, SiO 2 having a thickness of 0.
After depositing 2 μm, each opening was formed by a normal photolithographic etching method.
【0066】(6)高濃度P型半導体領域606上には
Au/Crを真空蒸着し、350℃、5分の熱処理によ
りオーム性接合電極608を形成した。(6) Au / Cr was vacuum-deposited on the high-concentration P-type semiconductor region 606, and the ohmic bonding electrode 608 was formed by heat treatment at 350 ° C. for 5 minutes.
【0067】(7)電極配線609A、609B、60
9C、609Dとしてアルミニウム(Al)を、また、
高濃度P型半導体領域604A、604B、604C、
604Dに対してショットキ障壁接合を形成する材料と
してタングステン(W)を、電子ビーム蒸着によりそれ
ぞれ厚さ0.5μmおよび8nm蒸着し、通常のフォト
リソエッチング法により電極配線609A、609B、
609C、609Dおよびショットキ電極610A、6
10B、610C、610Dを形成した。(7) Electrode wiring 609A, 609B, 60
Aluminum (Al) as 9C and 609D,
High concentration P-type semiconductor regions 604A, 604B, 604C,
Tungsten (W) as a material for forming a Schottky barrier junction with respect to 604D is evaporated by electron beam evaporation to a thickness of 0.5 μm and 8 nm, respectively, and electrode wirings 609A and 609B are formed by a normal photolithography etching method.
609C, 609D and Schottky electrodes 610A, 6
10B, 610C and 610D were formed.
【0068】(8)絶縁材料による支持体611および
ゲート612としては、SiO2 およびタングステン
(W)をそれぞれ真空蒸着法により順次堆積し、通常の
フォトリソエッチング法により開口部613A、613
B、613C、613Dを形成した。(8) As the support 611 and the gate 612 made of an insulating material, SiO 2 and tungsten (W) are sequentially deposited by a vacuum vapor deposition method, and openings 613A and 613 are formed by a normal photolithographic etching method.
B, 613C and 613D were formed.
【0069】以上の工程(1)〜(8)により4個の電
子放出部600A、600B、600C、600Dを有
するマルチ半導体電子放出素子が完成した。Through the above steps (1) to (8), a multi-semiconductor electron-emitting device having four electron-emitting portions 600A, 600B, 600C and 600D is completed.
【0070】同様にして電子放出部をX方向に20個、
Y方向に10個マトリクス状に並べたマルチ半導体電子
放出素子を作製し、真空度が約1×10ー7Torrの真
空チャンバ内に設置し、電子放出部全部に逆方向電圧7
Vを印加したところ、合計約20nAの電子放出が確認
された。また、任意のオーム性接合電極608と任意の
電極配線609との間のみに逆方向電圧を印加すること
により、その交点の素子のみが電子放出することが確認
された。このように本実施例によれば、従来のマルチ半
導体電子放出素子と同等の電子放出特性を有する、製造
の簡単な電子放出素子が形成可能となった。Similarly, 20 electron-emitting portions are provided in the X direction,
To prepare a multi-semiconductor electron-emitting devices arranged in ten matrix in the Y direction, the degree of vacuum is established in about 1 × 10 over 7 Torr in the vacuum chamber, the reverse voltage to all the electron-emitting portion 7
When V was applied, a total electron emission of about 20 nA was confirmed. It was also confirmed that by applying a reverse voltage only between the arbitrary ohmic junction electrode 608 and the arbitrary electrode wiring 609, only the element at the intersection emits electrons. As described above, according to this embodiment, it is possible to form an electron-emitting device which has the same electron-emitting characteristics as those of the conventional multi-semiconductor electron-emitting device and which is easy to manufacture.
【0071】[0071]
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、下記のような効果を奏する。Since the present invention is constructed as described above, it has the following effects.
【0072】(1)キャリア濃度の高い第1のP型半導
体領域の外側に低濃度のN型半導体領域を形成すること
で、空乏層の形状を、前記第1のP型半導体領域におい
て最も電界が集中しやすい形状にすることができる。そ
れによって、前記第1のP型半導体領域でのみ効率良く
アバランシェ降伏が生じることになるので、前述した従
来の技術で設けられていたガードリング構造とそのオー
ム性接合電極が不要となり、小型化でき、素子構造とと
もに製造工程が簡略化される。(1) By forming a low-concentration N-type semiconductor region outside the first P-type semiconductor region having a high carrier concentration, the depletion layer is shaped so as to have the highest electric field in the first P-type semiconductor region. The shape can be easily focused. As a result, avalanche breakdown is efficiently generated only in the first P-type semiconductor region, so that the guard ring structure and its ohmic contact electrode provided in the above-described conventional technique are unnecessary, and the size can be reduced. The manufacturing process is simplified together with the device structure.
【0073】(2)前記第1のP型半導体領域にキャリ
アを供給するための第2のP型半導体領域のキャリア濃
度を大きくすることで、素子の直列抵抗値が低下するの
で、動作速度の速い半導体電子放出素子を提供すること
ができる。(2) By increasing the carrier concentration of the second P-type semiconductor region for supplying carriers to the first P-type semiconductor region, the series resistance value of the device is lowered, so that the operating speed is increased. A fast semiconductor electron emitting device can be provided.
【図1】本発明の半導体電子放出素子の第1実施例を示
す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing a first embodiment of a semiconductor electron-emitting device of the present invention.
【図2】ショットキ障壁接合の半導体電子放出素子のエ
ネルギーバンドの一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of an energy band of a semiconductor electron-emitting device having a Schottky barrier junction.
【図3】本発明の半導体電子放出素子の電流−電圧特性
の一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of current-voltage characteristics of the semiconductor electron-emitting device of the present invention.
【図4】本発明の半導体電子放出素子の電流−電圧特性
の他の例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing another example of current-voltage characteristics of the semiconductor electron-emitting device of the present invention.
【図5】本発明の半導体電子放出素子の第2実施例を示
す断面図である。FIG. 5 is a sectional view showing a second embodiment of the semiconductor electron-emitting device of the present invention.
【図6】本発明の半導体電子放出素子の第3実施例を示
す断面図である。FIG. 6 is a sectional view showing a third embodiment of the semiconductor electron-emitting device of the present invention.
101、501 高濃度P型半導体基板 102、502、603 低濃度N型半導体領域 104、504、605 P型半導体領域 103、503、602、604、606 高濃度P
型半導体領域 106、507、508、608 オーム性接合電極 105、506、607 絶縁膜 108、610 ショットキ電極 107、609 電極配線 109、510 電源 110、511 空乏層 505 高濃度N型半導体領域 509 低仕事関数被膜 600 電子放出部 601 半導体基板 611 支持体 612 ゲート 613 開口部101, 501 High concentration P-type semiconductor substrate 102, 502, 603 Low concentration N-type semiconductor region 104, 504, 605 P-type semiconductor region 103, 503, 602, 604, 606 High concentration P
Type semiconductor region 106, 507, 508, 608 ohmic junction electrode 105, 506, 607 insulating film 108, 610 Schottky electrode 107, 609 electrode wiring 109, 510 power supply 110, 511 depletion layer 505 high concentration N type semiconductor region 509 low work Function coating 600 Electron emission part 601 Semiconductor substrate 611 Support 612 Gate 613 Opening
Claims (36)
体とのショットキ障壁接合からなる電子放出部を有して
固体表面から電子を放出する半導体電子放出素子におい
て、 前記電子放出部が、前記ショットキ障壁接合を形成して
アバランシェ降伏を生じる第1のP型半導体領域を備
え、 さらに、前記第1のP型半導体領域と接して該第1のP
型半導体領域へキャリアを供給する第2のP型半導体領
域と、 前記第1のP型半導体領域の周囲に位置して該第1のP
型半導体領域とPN接合を形成するとともに、前記金属
材料あるいは金属化合物材料とショットキ障壁接合を形
成するN型半導体領域とを有し、 前記第1、第2のP型半導体領域およびN型半導体領域
のキャリア濃度の大小関係が、 (第1のP型半導体領域)>(第2のP型半導体領域)
>(N型半導体領域) であることを特徴とする半導体電子放出素子。1. A semiconductor electron-emitting device which has an electron-emitting portion formed of a Schottky barrier junction of a metal material or a metal compound material and a semiconductor and emits electrons from a solid surface, wherein the electron-emitting portion has the Schottky barrier junction. To form an avalanche breakdown, and further to contact the first P-type semiconductor region to form the first P-type semiconductor region.
A second P-type semiconductor region for supplying carriers to the P-type semiconductor region, and a first P-type semiconductor region located around the first P-type semiconductor region.
A P-type semiconductor region and a P-type semiconductor region, and an N-type semiconductor region forming a Schottky barrier junction with the metal material or metal compound material, and the first and second P-type semiconductor regions and N-type semiconductor regions. The carrier density relationship of is as follows: (first P-type semiconductor region)> (second P-type semiconductor region)
> (N-type semiconductor region).
を規定するための電極を固体表面近傍に設けたことを特
徴とする請求項1記載の半導体電子放出素子。2. The semiconductor electron-emitting device according to claim 1, wherein an electrode for defining a flight direction of electrons emitted from the electron-emitting portion is provided near the surface of the solid.
ルギーを規定するための電極を固体表面近傍に設けたこ
とを特徴とする請求項1あるいは2記載の半導体電子放
出素子。3. The semiconductor electron-emitting device according to claim 1, wherein an electrode for defining kinetic energy of electrons emitted from the electron-emitting portion is provided near the surface of the solid.
成する金属材料あるいは金属化合物材料の表面に、該金
属材料あるいは金属化合物材料とは仕事関数の異なる材
料を堆積したことを特徴とする請求項1、2あるいは3
記載の半導体電子放出素子。4. A material having a work function different from that of the metal material or the metal compound material is deposited on the surface of the metal material or the metal compound material forming the Schottky barrier junction of the electron emitting portion. 1, 2 or 3
The semiconductor electron-emitting device described.
ことを特徴とする請求項1、2、3あるいは4記載の半
導体電子放出素子。5. The semiconductor electron emitting device according to claim 1, wherein the electron emitting portion is formed on a semiconductor substrate.
れていることを特徴とする請求項1、2、3あるいは4
記載の半導体電子放出素子。6. The electron-emitting portion is provided in plural on the same substrate, and the electron-emitting portion is provided on the same substrate.
The semiconductor electron-emitting device described.
る請求項6記載の半導体電子放出素子。7. The semiconductor electron-emitting device according to claim 6, wherein the substrate is a semiconductor substrate.
独立し、個々に電子放出可能なことを特徴とする請求項
6あるいは7記載の半導体電子放出素子。8. The semiconductor electron-emitting device according to claim 6, wherein the plurality of electron-emitting portions are electrically independent of each other and can emit electrons individually.
域およびN型半導体領域をイオン注入法により形成した
ことを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7あ
るいは8記載の半導体電子放出素子。9. The first, second, and N-type semiconductor regions and the N-type semiconductor region of the electron emitting portion are formed by an ion implantation method. 7. The semiconductor electron-emitting device according to 7 or 8.
導体とのショットキ障壁接合からなる電子放出部を有し
て固体表面から電子を放出する半導体電子放出素子にお
いて、 前記電子放出部が、前記ショットキ障壁接合を形成して
アバランシェ降伏を生じる第1のP型半導体領域を備
え、 さらに、前記第1のP型半導体領域と接して該第1のP
型半導体領域へキャリアを供給する第2のP型半導体領
域と、 前記第1のP型半導体領域の周囲に位置して該第1のP
型半導体領域とPN接合を形成するとともに、前記金属
材料あるいは金属化合物材料とショットキ障壁接合を形
成するN型半導体領域とを有し、 前記第1、第2のP型半導体領域およびN型半導体領域
のキャリア濃度の大小関係が、 (第2のP型半導体領域)≧(第1のP型半導体領域)
>(N型半導体領域) であることを特徴とする半導体電子放出素子。10. A semiconductor electron-emitting device that has an electron-emitting portion formed of a Schottky barrier junction of a metal material or a metal compound material and a semiconductor and emits electrons from a solid surface, wherein the electron-emitting portion has the Schottky barrier junction. To form an avalanche breakdown, and further to contact the first P-type semiconductor region to form the first P-type semiconductor region.
A second P-type semiconductor region for supplying carriers to the P-type semiconductor region, and a first P-type semiconductor region located around the first P-type semiconductor region.
A P-type semiconductor region and a P-type semiconductor region, and an N-type semiconductor region forming a Schottky barrier junction with the metal material or metal compound material, and the first and second P-type semiconductor regions and N-type semiconductor regions. Of the carrier concentration of (second P-type semiconductor region) ≧ (first P-type semiconductor region)
> (N-type semiconductor region).
向を規定するための電極を素子表面近傍に設けたことを
特徴とする請求項10記載の半導体電子放出素子。11. The semiconductor electron-emitting device according to claim 10, wherein an electrode for defining a flight direction of electrons emitted from the electron-emitting portion is provided near the device surface.
ネルギーを規定するための電極を素子表面近傍に設けた
ことを特徴とする請求項10あるいは11記載の半導体
電子放出素子。12. The semiconductor electron-emitting device according to claim 10, wherein an electrode for defining kinetic energy of electrons emitted from the electron-emitting portion is provided near the device surface.
形成する金属材料あるいは金属化合物材料の表面に、該
金属材料あるいは金属化合物材料とは仕事関数の異なる
材料を堆積したことを特徴とする請求項10,11ある
いは12記載の半導体電子放出素子。13. A material having a work function different from that of the metal material or the metal compound material is deposited on the surface of the metal material or the metal compound material forming the Schottky barrier junction of the electron emitting portion. The semiconductor electron-emitting device according to 10, 11, or 12.
たことを特徴とする請求項10、11,12あるいは1
3記載の半導体電子放出素子。14. The electron emitting portion is formed on a semiconductor substrate, as claimed in claim 11, 11, 12 or 1.
3. The semiconductor electron-emitting device according to item 3.
られていることを特徴とする請求項10、11、12あ
るいは13記載の半導体電子放出素子。15. The semiconductor electron emitting device according to claim 10, 11, 12 or 13, wherein a plurality of electron emitting portions are provided on the same substrate.
する請求項15記載の半導体電子放出素子。16. The semiconductor electron-emitting device according to claim 15, wherein the substrate is a semiconductor substrate.
に独立し、個々に電子放出可能なことを特徴とする請求
項15あるいは16記載の半導体電子放出素子。17. The semiconductor electron-emitting device according to claim 15, wherein the plurality of electron-emitting portions are electrically independent of each other and can emit electrons individually.
領域およびN型半導体領域を、イオン注入法により形成
したことを特徴とする請求項9、10、11、12、1
3、14、15、16あるいは17記載の半導体電子放
出素子。18. The first, second P-type semiconductor region and N-type semiconductor region of the electron emitting portion are formed by an ion implantation method.
The semiconductor electron-emitting device according to 3, 14, 15, 16 or 17.
からなる電子放出部を有して固体表面から電子を放出す
る半導体電子放出素子において、 前記電子放出部が、前記固体表面に位置する第1のN型
半導体領域と、該第1のN型半導体領域とPN接合を形
成してアバランシェ降伏を生じる第1のP型半導体領域
とを備え、 さらに、前記第1のP型半導体領域と接して該第1のP
型半導体領域へキャリアを供給する第2のP型半導体領
域と、 前記第1のP型半導体領域の周囲に位置して前記前記第
1のP型半導体領域とPN接合を形成する第2のN型半
導体領域とを有し、 前記第1、第2のP型半導体領域および第1、第2のN
型半導体領域のキャリア濃度の大小関係が、 (第1のN型半導体領域)>(第1のP型半導体領域)
>(第2のP型半導体領域)>(第2のN型半導体領
域) であることを特徴とする半導体電子放出素子。19. A semiconductor electron-emitting device which has an electron-emitting portion composed of a PN junction of an N-type semiconductor and a P-type semiconductor and emits electrons from a solid surface, wherein the electron-emitting portion is located on the solid surface. A first P-type semiconductor region, and a first P-type semiconductor region that forms a PN junction with the first N-type semiconductor region to generate avalanche breakdown, and further comprises: In contact with the first P
A second P-type semiconductor region for supplying carriers to the first P-type semiconductor region, and a second N-type semiconductor that is located around the first P-type semiconductor region and forms a PN junction with the first P-type semiconductor region. Type semiconductor regions, and the first and second P-type semiconductor regions and the first and second N-type semiconductor regions.
The relationship between the carrier concentrations of the type semiconductor regions is (first N-type semiconductor region)> (first P-type semiconductor region)
> (Second P-type semiconductor region)> (Second N-type semiconductor region)
向を規定するための電極を固体表面近傍に設けたことを
特徴とする請求項19記載の半導体電子放出素子。20. The semiconductor electron-emitting device according to claim 19, wherein an electrode for defining a flight direction of electrons emitted from the electron-emitting portion is provided in the vicinity of a solid surface.
ネルギーを規定するための電極を固体表面近傍に設けた
ことを特徴とする請求項19あるいは20記載の半導体
電子放出素子。21. The semiconductor electron-emitting device according to claim 19, wherein an electrode for defining kinetic energy of electrons emitted from the electron-emitting portion is provided near the surface of the solid.
表面に、仕事関数の異なる材料を堆積したことを特徴と
する請求項19、20あるいは21記載の半導体電子放
出素子。22. The semiconductor electron-emitting device according to claim 19, wherein a material having a different work function is deposited on the surface of the first N-type semiconductor region of the electron-emitting portion.
たことを特徴とする請求項19、20、21あるいは2
2記載の半導体電子放出素子。23. The electron emitting portion is formed on a semiconductor substrate, as claimed in claim 19, 20, 21 or 2.
2. The semiconductor electron-emitting device according to item 2.
られていることを特徴とする請求項19、20、21あ
るいは22記載の半導体電子放出素子。24. The semiconductor electron-emitting device according to claim 19, 20, 21 or 22, wherein a plurality of electron-emitting portions are provided on the same substrate.
する請求項24記載の半導体電子放出素子。25. The semiconductor electron-emitting device according to claim 24, wherein the substrate is a semiconductor substrate.
に独立し、それぞれ個々に電子放出可能なことを特徴と
する請求項24あるいは25記載の半導体電子放出素
子。26. The semiconductor electron-emitting device according to claim 24, wherein the plurality of electron-emitting portions are electrically independent of each other and can emit electrons individually.
1、第2のN型半導体領域をイオン注入法により形成し
たことを特徴とする請求項19、20、21、22、2
3、24、25あるいは26記載の半導体電子放出素
子。27. The first, second P-type semiconductor region and the first, second N-type semiconductor region are formed by an ion implantation method.
The semiconductor electron-emitting device according to 3, 24, 25 or 26.
からなる電子放出部を有して固体表面から電子を放出す
る半導体電子放出素子において、 前記電子放出部が、前記固体表面に位置する第1のN型
半導体領域と、該第1のN型半導体領域とPN接合を形
成してアバランシェ降伏を生じる第1のP型半導体領域
とを備え、 さらに、前記第1のP型半導体領域と接して該第1のP
型半導体領域へキャリアを供給する第2のP型半導体領
域と、 前記第1のP型半導体領域の周囲に位置して前記前記第
1のP型半導体領域とPN接合を形成する第2のN型半
導体領域とを有し、 前記第1、第2のP型半導体領域および第1、第2のN
型半導体領域のキャリア濃度の大小関係が、 (第1N型半導体領域)>(第2のP型半導体領域)≧
(第1のP型半導体領域)>(第2のN型半導体領域) であることを特徴とする半導体電子放出素子。28. A semiconductor electron-emitting device which has an electron-emitting portion made of a PN junction of an N-type semiconductor and a P-type semiconductor and emits electrons from a solid surface, wherein the electron-emitting portion is located on the solid surface. A first P-type semiconductor region, and a first P-type semiconductor region that forms a PN junction with the first N-type semiconductor region to generate avalanche breakdown, and further comprises: In contact with the first P
A second P-type semiconductor region for supplying carriers to the type P-type semiconductor region, and a second N-type semiconductor that is located around the first P-type semiconductor region and forms a PN junction with the first P-type semiconductor region. Type semiconductor regions, and the first and second P-type semiconductor regions and the first and second N-type semiconductor regions.
The magnitude relationship of the carrier concentration of the type semiconductor region is (first N-type semiconductor region)> (second P-type semiconductor region) ≧
(First P-type semiconductor region)> (Second N-type semiconductor region).
向を規定するための電極を固体表面近傍に設けたことを
特徴とする請求項28記載の半導体電子放出素子。29. The semiconductor electron-emitting device according to claim 28, wherein an electrode for defining a flight direction of the electron emitted from the electron-emitting portion is provided in the vicinity of the solid surface.
ネルギーを規定するための電極を固体表面近傍に設けた
ことを特徴とする請求項28あるいは29記載の半導体
電子放出素子。30. The semiconductor electron-emitting device according to claim 28, wherein an electrode for defining the kinetic energy of electrons emitted from the electron-emitting portion is provided near the surface of the solid.
表面に、仕事関数の異なる材料を堆積したことを特徴と
する請求項28、29あるいは30記載の半導体電子放
出素子。31. The semiconductor electron-emitting device according to claim 28, 29 or 30, wherein materials having different work functions are deposited on the surface of the first N-type semiconductor region of the electron-emitting portion.
たことを特徴とする請求項28、29、30あるいは3
1記載の半導体電子放出素子。32. The electron emitting portion is formed on a semiconductor substrate, 28, 29, 30 or 3.
1. The semiconductor electron-emitting device according to 1.
られていることを特徴とする請求項28、29、30あ
るいは31記載の半導体電子放出素子。33. The semiconductor electron-emitting device according to claim 28, 29, 30 or 31, wherein a plurality of electron-emitting portions are provided on the same substrate.
する請求項33記載の半導体電子放出素子。34. The semiconductor electron-emitting device according to claim 33, wherein the substrate is a semiconductor substrate.
に独立し、それぞれ個々に電子放出可能なことを特徴と
する請求項33あるいは34記載の半導体電子放出素
子。35. The semiconductor electron-emitting device according to claim 33, wherein the plurality of electron-emitting portions are electrically independent of each other and can emit electrons individually.
1、第2のN型半導体領域を、イオン注入法により形成
したことを特徴とする請求項28、29、30、31、
32、33、34あるいは35記載の半導体電子放出素
子。36. The first and second P-type semiconductor regions and the first and second N-type semiconductor regions are formed by an ion implantation method, 28, 29, 30, 31.
32. The semiconductor electron-emitting device according to 32, 33, 34 or 35.
Priority Applications (4)
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|---|---|---|---|
| JP23445691A JPH0574330A (en) | 1991-09-13 | 1991-09-13 | Semiconductor electron emitter |
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| EP92102746A EP0504603B1 (en) | 1991-02-20 | 1992-02-19 | Semiconductor electron emission device |
| DE69220823T DE69220823T2 (en) | 1991-02-20 | 1992-02-19 | Semiconductor electron emission device |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP23445691A JPH0574330A (en) | 1991-09-13 | 1991-09-13 | Semiconductor electron emitter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0574330A true JPH0574330A (en) | 1993-03-26 |
Family
ID=16971288
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23445691A Pending JPH0574330A (en) | 1991-02-20 | 1991-09-13 | Semiconductor electron emitter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0574330A (en) |
-
1991
- 1991-09-13 JP JP23445691A patent/JPH0574330A/en active Pending
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